Jak działa urządzenie zabezpieczające przed przepięciami (SPD)

Jak działa urządzenie zabezpieczające przed przepięciami (SPD)

Zdolność SPD do ograniczania przepięć w elektrycznej sieci dystrybucyjnej poprzez kierowanie prądów udarowych jest funkcją elementów chroniących przed przepięciami, mechanicznej struktury SPD i połączenia z elektryczną siecią dystrybucyjną. SPD ma na celu ograniczenie przejściowych przepięć i odwrócenie prądu udarowego lub obu. Zawiera co najmniej jeden składnik nieliniowy. Mówiąc najprościej, SPD mają na celu ograniczenie przejściowych przepięć w celu zapobiegania uszkodzeniom sprzętu i przestojom spowodowanym przejściowymi skokami napięcia docierającymi do chronionych przez nie urządzeń.

Rozważmy na przykład młyn wodny chroniony przez zawór bezpieczeństwa. Zawór nadmiarowy ciśnienia nie robi nic, dopóki w doprowadzeniu wody nie pojawi się impuls nadciśnienia. Kiedy tak się dzieje, zawór otwiera się i odsuwa dodatkowe ciśnienie na bok, aby nie dotarło do koła wodnego.

Jeśli zawór nadmiarowy nie był obecny, nadmierne ciśnienie mogłoby uszkodzić koło wodne lub być może połączenie piły. Nawet jeśli zawór nadmiarowy jest na swoim miejscu i działa prawidłowo, część impulsu ciśnienia nadal będzie docierać do koła. Ale ciśnienie zostanie zredukowane na tyle, aby nie uszkodzić koła wodnego ani nie zakłócić jego pracy. To opisuje działanie SPD. Redukują stany nieustalone do poziomów, które nie uszkodzą ani nie zakłócą działania czułego sprzętu elektronicznego.

Zastosowane technologie

Jakie technologie są używane w SPD?

Od IEEE Std. C62.72: Kilka typowych elementów chroniących przed przepięciami wykorzystywanych do produkcji SPD to warystory z tlenków metali (MOV), diody przebicia lawinowego (ABD – wcześniej znane jako krzemowe diody lawinowe lub SAD) i lampy wyładowcze (GDT). MOV są najczęściej stosowaną technologią ochrony obwodów prądu przemiennego. Wartość prądu udarowego MOV zależy od pola przekroju i jego składu. Ogólnie rzecz biorąc, im większy obszar przekroju, tym wyższy prąd udarowy urządzenia. MOV na ogół mają geometrię okrągłą lub prostokątną, ale są dostępne w wielu standardowych wymiarach od 7 mm (0.28 cala) do 80 mm (3.15 cala). Wartości znamionowe prądu przepięciowego tych elementów ochrony przed przepięciami są bardzo zróżnicowane i zależą od producenta. Jak omówiono wcześniej w tej klauzuli, łącząc MOV w równoległy układ, wartość prądu udarowego można obliczyć, po prostu dodając wartości prądu udarowego poszczególnych MOV, aby uzyskać wartość prądu udarowego tablicy. Czyniąc to, należy zwrócić uwagę na koordynację charakterystyk operacyjnych wybranych MOV.

Istnieje wiele hipotez dotyczących tego, jaki komponent, jaka topologia i zastosowanie określonej technologii zapewnia najlepszy SPD do odprowadzania prądu udarowego. Zamiast przedstawiać wszystkie opcje, najlepiej jest, aby dyskusja na temat wartości prądu udarowego, znamionowego prądu rozładowania lub możliwości prądu udarowego obracała się wokół danych z testów wydajności. Niezależnie od komponentów użytych w projekcie lub konkretnej zastosowanej konstrukcji mechanicznej, ważne jest, aby SPD miał prąd udarowy lub znamionowy prąd rozładowania, który jest odpowiedni dla aplikacji.

Szerszy opis tych elementów znajduje się poniżej. Komponenty stosowane w SPD znacznie się różnią. Oto próbka tych komponentów:

• Warystor tlenku metalu (MOV)

Zazwyczaj MOV składają się z okrągłego lub prostokątnego korpusu ze spiekanego tlenku cynku z odpowiednimi dodatkami. Inne stosowane typy obejmują kształty rurowe i struktury wielowarstwowe. Warystory mają metalowe elektrody cząsteczkowe składające się ze stopu srebra lub innego metalu. Elektrody mogły zostać nałożone na korpus przez przesiewanie i spiekanie lub w innych procesach, w zależności od użytego metalu. Warystory często mają również wyprowadzenia drutowe lub języczkowe lub inny rodzaj zakończenia, który mógł zostać przylutowany do elektrody.

Podstawowy mechanizm przewodzenia MOV wynika z połączeń półprzewodnikowych na granicy ziaren tlenku cynku powstałych podczas procesu spiekania. Warystor można uznać za urządzenie wielozłączowe z wieloma ziarnami działającymi w połączeniu szeregowo-równoległym między zaciskami. Schematyczny przekrój typowego warystora pokazano na rysunku 1.

Warystory mają właściwość utrzymywania stosunkowo niewielkich zmian napięcia na ich zaciskach, podczas gdy przepływający przez nie prąd udarowy zmienia się na przestrzeni kilkudziesięciu lat. To nieliniowe działanie pozwala im na przekierowanie prądu przepięcia po podłączeniu bocznika przez linię i ograniczenie napięcia na linii do wartości, które chronią sprzęt podłączony do tej linii.

• Dioda lawinowa (ADB)

Urządzenia te są również znane jako krzemowa dioda lawinowa (SAD) lub tłumik napięcia przejściowego (TVS). Dioda przebicia złącza PN w swojej podstawowej formie jest pojedynczym złączem PN składającym się z anody (P) i katody (N). Patrz rysunek 2a. W zastosowaniach z obwodami prądu stałego zabezpieczenie jest spolaryzowane wstecznie, tak że dodatni potencjał jest przykładany do strony katody (N) urządzenia. Patrz rysunek 2b.

Dioda lawinowa ma trzy obszary działania, 1) polaryzację w przód (niska impedancja), 2) stan wyłączenia (wysoka impedancja) i 3) przebicie polaryzacji wstecznej (stosunkowo niska impedancja). Obszary te można zobaczyć na rysunku 3. W trybie polaryzacji przewodzenia z dodatnim napięciem w obszarze P, dioda ma bardzo niską impedancję, gdy napięcie przekracza napięcie diody polaryzacji przewodzenia, VFS. VFS jest zwykle mniejsze niż 1 V i jest zdefiniowane poniżej. Stan wyłączenia rozciąga się od 0 V do tuż poniżej dodatniego VBR w regionie N. W tym regionie jedynymi płynącymi prądami są zależne od temperatury prądy upływu i prądy tunelowe Zenera dla diod o niskim napięciu przebicia. Region załamania odwrotnej polaryzacji zaczyna się od dodatniego VBR w regionie N. W VBR elektrony przechodzące przez złącze są na tyle przyspieszane przez wysokie pole w regionie złącza, że ​​zderzenia elektronów powodują powstanie kaskady lub lawiny elektronów i dziur. Rezultatem jest gwałtowny spadek rezystancji diody. Do ochrony można wykorzystać zarówno regiony przebicia polaryzacji do przodu, jak i polaryzacji wstecznej.

Charakterystyki elektryczne diody lawinowej są wewnętrznie asymetryczne. Produkowane są również symetryczne produkty do ochrony przed lawinami, składające się ze złączy tył-tył.

• Rura wyładowcza gazu (GDT)

Rury wyładowcze składają się z dwóch lub więcej metalowych elektrod oddzielonych niewielką szczeliną i utrzymywanych przez ceramiczny lub szklany cylinder. Cylinder jest wypełniony mieszanką gazów szlachetnych, która iskrzy się w wyładowanie jarzeniowe, a ostatecznie w stan łuku, gdy do elektrod zostanie przyłożone wystarczające napięcie.

Gdy powoli rosnące napięcie w szczelinie osiągnie wartość określoną głównie przez odległość między elektrodami, ciśnienie gazu i mieszaninę gazów, proces włączania rozpoczyna się przy napięciu przebicia (przebicia). Po wystąpieniu przeskoku iskry możliwe są różne stany robocze, w zależności od obwodu zewnętrznego. Stany te pokazano na rysunku 4. Przy prądach mniejszych niż prąd przejścia od świecenia do łuku istnieje obszar świecenia. Przy niskich prądach w obszarze żarzenia napięcie jest prawie stałe; przy wysokich prądach żarzenia niektóre typy rurek gazowych mogą wejść w nienormalny obszar żarzenia, w którym wzrasta napięcie. Poza tym nienormalnym obszarem jarzenia impedancja rury wyładowczej zmniejsza się w obszarze przejścia do stanu łuku niskonapięciowego. Prąd przejścia od jarzenia do żarzenia może być niższy niż do przejścia od jarzenia do łuku. Charakterystyka elektryczna GDT, w połączeniu z obwodami zewnętrznymi, określa zdolność GDT do gaszenia po przejściu przepięcia, a także określa energię rozpraszaną w ograniczniku podczas przepięcia.

Jeżeli przyłożone napięcie (np. przejściowe) gwałtownie rośnie, czas potrzebny na proces jonizacji/tworzenia łuku może pozwolić, aby napięcie przejściowe przekroczyło wartość wymaganą do przebicia w poprzednim akapicie. Napięcie to jest definiowane jako impulsowe napięcie przebicia i jest ogólnie dodatnią funkcją szybkości narastania przyłożonego napięcia (przejściowe).

Jednokomorowy trójelektrodowy GDT ma dwie wnęki oddzielone centralną elektrodą pierścieniową. Otwór w elektrodzie środkowej umożliwia plazmie gazowej z przewodzącej wnęki zainicjowanie przewodzenia w drugiej wnęce, nawet jeśli napięcie w drugiej wnęce może być niższe niż napięcie przeskoku iskry.

Ze względu na ich działanie przełączające i wytrzymałą konstrukcję, GDT mogą przewyższać inne komponenty SPD pod względem obciążalności prądowej. Wiele telekomunikacyjnych GDT może z łatwością przenosić prądy udarowe dochodzące do 10 kA (przebieg 8/20 µs). Ponadto, w zależności od konstrukcji i wielkości GDT, można osiągnąć prądy udarowe >100 kA.

Konstrukcja rurek wyładowczych jest taka, że ​​mają one bardzo małą pojemność – generalnie poniżej 2 pF. Pozwala to na ich zastosowanie w wielu aplikacjach obwodów o wysokiej częstotliwości.

Kiedy GDT działają, mogą generować promieniowanie o wysokiej częstotliwości, które może wpływać na wrażliwą elektronikę. Dlatego dobrze jest umieścić obwody GDT w pewnej odległości od elektroniki. Odległość zależy od czułości elektroniki i od tego, jak dobrze jest ona ekranowana. Inną metodą uniknięcia tego efektu jest umieszczenie GDT w ekranowanej obudowie.

Definicje dla GDT

Szczelina lub kilka szczelin z dwiema lub trzema metalowymi elektrodami hermetycznie zamkniętymi tak, aby mieszanina gazów i ciśnienie były pod kontrolą, zaprojektowane w celu ochrony aparatu lub personelu, lub obu, przed wysokimi przejściowymi napięciami.

Or

Szczelina lub przerwy w zamkniętym medium odprowadzającym, innym niż powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym, zaprojektowane w celu ochrony aparatury lub personelu , lub obu, przed wysokimi przejściowymi napięciami.

• Filtry LCR

Składniki te różnią się między sobą:

• zdolność energetyczna
• dostępność
• niezawodność
• koszt
• skuteczność

Z IEEE Std C62.72: Zdolność SPD do ograniczania przepięć w elektrycznej sieci dystrybucyjnej poprzez kierowanie prądów udarowych jest funkcją elementów chroniących przed przepięciami, mechanicznej struktury SPD i połączenia z elektryczną siecią dystrybucyjną. Kilka typowych elementów chroniących przed przepięciami stosowanych w produkcji SPD to MOV, SASD i rury wyładowcze, przy czym MOV mają największe zastosowanie. Wartość prądu udarowego MOV zależy od pola przekroju i jego składu. Ogólnie rzecz biorąc, im większy przekrój, tym wyższy prąd udarowy urządzenia. MOV zazwyczaj mają geometrię okrągłą lub prostokątną, ale są dostępne w wielu standardowych wymiarach od 7 mm (0.28 cala) do 80 mm (3.15 cala). Wartości znamionowe prądu przepięciowego tych elementów ochrony przed przepięciami są bardzo zróżnicowane i zależą od producenta. Łącząc MOV w równoległy układ, teoretyczny prąd udarowy można obliczyć, po prostu dodając wartości prądu poszczególnych MOV, aby uzyskać prąd udarowy tablicy.

Istnieje wiele hipotez dotyczących tego, jaki komponent, jaka topologia i zastosowanie określonej technologii zapewnia najlepszy SPD do odprowadzania prądu udarowego. Zamiast przedstawiać wszystkie te argumenty i pozwolić czytelnikowi rozszyfrować te tematy, najlepiej jest, aby dyskusja na temat wartości prądu udarowego, znamionowego prądu rozładowania lub możliwości prądu udarowego obracała się wokół danych z testów wydajności. Niezależnie od komponentów użytych w projekcie lub konkretnej zastosowanej konstrukcji mechanicznej, ważne jest to, że SPD ma wartość znamionową prądu udarowego lub znamionową wartość znamionową prądu rozładowania, która jest odpowiednia dla aplikacji i, co prawdopodobnie najważniejsze, SPD ogranicza stan nieustalony przepięcia do poziomów, które zapobiegają uszkodzeniu chronionego sprzętu, biorąc pod uwagę przewidywane środowisko przepięć.

Podstawowe tryby pracy

Większość SPD ma trzy podstawowe tryby pracy:

• Oczekuje
• Przekierowywanie

W każdym trybie prąd przepływa przez SPD. Nie można jednak zrozumieć, że w każdym trybie może istnieć inny rodzaj prądu.

Tryb oczekiwania

W normalnych sytuacjach zasilania, gdy „czysta energia” jest dostarczana w systemie dystrybucji energii elektrycznej, SPD spełnia minimalne funkcje. W trybie oczekiwania SPD czeka na wystąpienie przepięcia i zużywa niewiele lub wcale nie pobiera prądu; głównie używany przez obwody monitorujące.

Tryb przekierowania

Po wykryciu zdarzenia przepięcia przejściowego SPD przechodzi w tryb przekierowania. Celem SPD jest odwrócenie szkodliwego prądu impulsowego od obciążeń krytycznych, przy jednoczesnym zmniejszeniu wynikającego z niego napięcia do niskiego, nieszkodliwego poziomu.

Zgodnie z definicją ANSI/IEEE C62.41.1-2002 typowy przebieg prądu trwa tylko ułamek cyklu (mikrosekundy), fragment czasu w porównaniu z ciągłym przepływem sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 60 Hz.

Wielkość prądu udarowego zależy od jego źródła. Na przykład uderzenia pioruna, które w rzadkich przypadkach mogą zawierać prąd o natężeniu przekraczającym kilkaset tysięcy amperów. Jednak w obiekcie wewnętrznie generowane zdarzenia przejściowe będą wytwarzać mniejsze wartości prądu (mniej niż kilka tysięcy lub sto amperów).

Ponieważ większość SPD jest zaprojektowana do obsługi dużych prądów udarowych, jednym z punktów odniesienia wydajności jest testowany znamionowy prąd rozładowania produktu (In). Często mylony z prądem zwarciowym, ale niepowiązanym, ta duża wartość prądu jest wskaźnikiem wielokrotnie testowanej wytrzymałości produktu.

Od IEEE Std. C62.72: Nominalna wartość znamionowa prądu rozładowania sprawdza zdolność SPD do poddania się powtarzającym się udarom prądowym (15 udarów całkowitych) o wybranej wartości bez uszkodzenia, degradacji lub zmiany mierzonego napięcia granicznego SPD. Test nominalnego prądu rozładowania obejmuje cały SPD, w tym wszystkie elementy ochrony przed przepięciami oraz wewnętrzne lub zewnętrzne odłączniki SPD. Podczas testu żaden element lub odłącznik nie może ulec uszkodzeniu, otwarciu obwodu, uszkodzeniu lub degradacji. Aby osiągnąć określoną wartość znamionową, zmierzony poziom napięcia granicznego SPD musi być utrzymany między porównaniem przed testem i po teście. Celem tych testów jest zademonstrowanie możliwości i wydajności SPD w odpowiedzi na przepięcia, które w niektórych przypadkach są poważne, ale których można się spodziewać w sprzęcie serwisowym, w obiekcie lub w miejscu instalacji.

Na przykład SPD o nominalnej wydajności prądu rozładowania 10,000 20,000 lub 10,000 20,000 amperów na tryb oznacza, że ​​produkt powinien być w stanie bezpiecznie wytrzymać prąd przejściowy 15 XNUMX lub XNUMX XNUMX amperów co najmniej XNUMX razy w każdym z trybów ochrony.

Scenariusze końca życia

Z IEEE Std C62.72: Największym zagrożeniem dla długoterminowej niezawodności SPD mogą nie być przepięcia, ale powtarzające się chwilowe lub tymczasowe przepięcia (TOV lub „wzrosty”), które mogą wystąpić w PDS. SPD z MCOV – które są niebezpiecznie bliskie nominalnemu napięciu systemu, są bardziej podatne na takie przepięcia, które mogą prowadzić do przedwczesnego starzenia się SPD lub przedwczesnego zakończenia eksploatacji. Często stosowaną zasadą jest określenie, czy MCOV SPD wynosi co najmniej 115% nominalnego napięcia systemu dla każdego konkretnego trybu ochrony. Dzięki temu SPD nie będzie miał wpływu na normalne zmiany napięcia PDS.

Jednak oprócz długotrwałych zdarzeń przepięciowych, SPD mogą się starzeć, degradować lub osiągać stan końca eksploatacji z czasem z powodu przepięć, które przekraczają wartości znamionowe SPD dla prądu przepięciowego, częstość występowania zdarzeń przepięciowych, czas trwania przepięcia lub połączenie tych wydarzeń. Powtarzające się przepięcia o znacznej amplitudzie w pewnym okresie czasu mogą przegrzać elementy SPD i spowodować starzenie się elementów ochrony przed przepięciami. Co więcej, powtarzające się przepięcia mogą powodować przedwczesne działanie odłączników SPD, które są aktywowane termicznie z powodu nagrzewania się elementów ochrony przed przepięciami. Charakterystyki SPD mogą się zmieniać, gdy osiąga on stan zakończenia eksploatacji – na przykład mierzone napięcia graniczne mogą wzrosnąć lub spaść.

Aby uniknąć degradacji spowodowanej przepięciami, wielu producentów SPD projektuje SPD o wysokim prądzie udarowym, używając fizycznie większych komponentów lub łącząc wiele komponentów równolegle. Ma to na celu uniknięcie prawdopodobieństwa przekroczenia wartości znamionowych SPD jako zespołu, z wyjątkiem bardzo rzadkich i wyjątkowych przypadków. Sukces tej metody jest wspierany przez długą żywotność i historię zainstalowanych już istniejących SPD, które zostały zaprojektowane w ten sposób.

W odniesieniu do koordynacji SPD i, jak stwierdzono w odniesieniu do wartości znamionowych prądu udarowego, logiczne jest, aby SPD z wyższymi wartościami prądu udarowego znajdował się w sprzęcie serwisowym, gdzie PDS jest najbardziej narażony na udary, aby pomóc w zapobieganiu przedwczesnemu starzeniu; w międzyczasie SPD dalej w dół od sprzętu serwisowego, który nie jest narażony na zewnętrzne źródła przepięć, może mieć niższe oceny. Dzięki dobrej konstrukcji i koordynacji systemu ochrony przed przepięciami można uniknąć przedwczesnego starzenia SPD.

Inne przyczyny niepowodzenia SPD to:

• Błędy instalacji
• Niewłaściwe zastosowanie produktu ze względu na jego napięcie znamionowe
• Długotrwałe zdarzenia przepięciowe

Gdy element tłumiący ulegnie awarii, najczęściej dzieje się to jako zwarcie, powodując, że prąd zaczyna płynąć przez uszkodzony element. Ilość prądu dostępnego do przepłynięcia przez ten uszkodzony element jest funkcją dostępnego prądu zwarcia i jest sterowana przez system elektroenergetyczny. Aby uzyskać więcej informacji na temat prądów zwarciowych, przejdź do informacji dotyczących bezpieczeństwa SPD.